4.2 特征组合原理与算法 .................................................................................... 29 4.3 改进的典型相关分析方法 ............................................................................ 30 4.4 特征融合算法流程 ........................................................................................ 31 4.5 结果分析 ........................................................................................................ 32 4.5.1 基于小波特征能量结果分析 ................................................................ 32 4.5.2 基于改进典型相关结果分析 ................................................................ 34 4.6 本章小结 ........................................................................................................ 36 结论 ............................................................................................................................ 37 参考文献 .................................................................................................................... 38
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第1章 绪 论
1.1 研究的背景及意义
伴随着社会的不断发展和进步，信息技术发展和网络覆盖也更加全面，人们对于信息的安全性要求也越来越高。在日常生活中，比如，网络，金融和国防安全等方面都需要精确的识别技术来保障人们信息的安全性并维护社会的稳定。目前，进行身份验证技术主要有两个方面，其一是通过使用实物，主要有身份证件，钥匙和卡片等，还有一种是通过虚拟手段来进行身份验证，如密码，暗号等。但是上述方法仍然存在很多不足，容易丢失、伪造和被盗用等风险。当前基于生物特征的身份认证技术的使用价值就越发明显。近年来生物识别技术做为人们研究的热点问题并被广泛的应用于各个领域。生物识别系统之所以能够如此迅速有效地完成整个生物识别过程，其中的处理过程主要包括采集图像、解码、比对和特征比配等方面。
生物识别技术（Biometric Identifcation Technology）主要是通过生物统计学、计算机与生物传感器、光学等各种科学技术手段有机的结合起来，且利用人类固有的生理特点和行为特点进行身份识别和验证的技术。人体的生物特征的特点有唯一性、遗传性或终身不变等，因此在身份验证方面生物识别技术相比于传统的身份验证方法有着一定的优势，例如在安全性、保密性和方便性等方面，但这主要是借助于外物，如果被丢失，其身份就容易被他人冒充，在信息安全上面无法得到保证。这就是生物识别技术主要应用于商业，政府和司法三大领域方面的前提条件[1]。
生物特征识别的含义比较大，可以分为两个方面：1）生理特征：如掌纹，手型，人脸，手背静脉，虹膜和视网膜等方面。2）行为特征：步态，签名和声音等方面。
而我国的生物特征技术的发展现状并不是很乐观，核心技术和基础性技术还尚缺乏。要提高我国识别技术的竞争力，就要加大政府的支持力度和投资规模。从上个世纪90年代以来，虽然我国生物识别技术有了很大幅度的发展，但相对于发达国家而言，我国仍处于落后地位，未来的生物识别产业拥有广阔的市场前景，以引起各个国家的高度重视。我国已将生物识别作为一个重点研究项目，并且已对相关课题开展了讨论研究。
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1.2 生物识别技术概述
1.2.1 各种生物特征的分类和比较
生物识别技术涉及到很多相关领域和学科，例如图像采集、图像处理、信息融合、模式识别等多方面。下图是生物识别的一般过程。
生物特征模型预处理检测与定位特征提取模式匹配决策
图1-1生物特征识别的一般过程
Pig1-1 General process of biometric identification
一直以来人们一直有一个疑问，到底什么样的生物特征才能进行生物测定呢？用于身份识别应该满足怎样的条件：普遍性：大家都有的生物特征，是普遍存在的。独特性：每个人都各不相同，而且任意两个人之间存在着比较大的差异。持久性：特征相对来说比较稳定，不会随着时间位移等方面的改变而发生改变。可采集性：特征是否易被采集或者是否能通过辅助设备测量采集得到。
对一个生物识别系统是否具有实用性，主要是依靠下面几个性能来进行判断：1）接受程度: 在人们的日常生活和工作中，用户愿意或希望其进行身份识别的程度。2）性能：系统的识别精度和识别速度是否足够高，是否会受到环境等其他因素的影响等。3）抗欺骗性：系统被伪造的特征欺骗的难易程度[2]。
总而言之，一个生物识别系统有高的精确度和识别速度，对人们无危害，对各种伪造信息具有足够鲁棒性，易被广大用户所接受。
上述性能虽然满足生物识别的基本条件，但是在实际应用中，必须同时考虑系统的性能、人们对身份识别的接受性和系统的抗欺骗性等因素。从生物学角度，遗传DNA在信息鉴别方面是最可靠的，但是其有无法实时采集和获取的高成本这两方面的局限性。接下来对几种常见的基于各种生物特征的生物识别技术进行介绍： 1. 声音：
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声音即是人体的生理特征也是行为特征，它是由多方面因素决定的（如声带、嘴型等的形状）。人的声音也会随着年龄大小、健康状况、情绪压力等原因而发生变化。声音的区分性不强，而在现实生活中，环境的噪音也是无法忽略的。所以通常情况下，基于声音的识别系统并不适合对其进行身份验证。声音识别技术是指通过采集到原始的声音信号，通过一系列的技术手段，对其特征因素进行提取和相互匹配的身份识别技术。但它同时也受到了多方面的制约如环境噪声和个体声音伪装等。 2. 掌纹： 掌纹是指从各个手指末端到手腕之间的手掌图像，掌纹面积较大，蕴含的纹理特征比较丰富。理论上应该比手指等更具区分性，其中很多特征可以用来进行身份验证：比如主线、皱纹、脊、谷、分叉点等，如果用高分辨的仪器进行扫描采集，那么就可以组成一种高度精确的识别系统。采集设备体积更大，对于成本要求较高。 3. 签名：
每个人的手写签名都有其特定的方式，签名在政府、银行、法律等方面作为一种普遍的身份认证手段。但它是一种行为特征，会随时间的变化而变化，会受到环境、情绪等多方面因素的影响。而有些仿冒者也可以复制或伪造签名进行欺骗。
4. 体味
每个人身上不同的体味，反映出其不同的化学组成成分，所以一般情况下可以用于身份识别，主要原理是包含气味的空气通过化学传感器阵列，每一传感器对于特定化合物敏感，但是由于空气中也会包含除臭剂等化学成分，从而对其产生一定的影响。 5. 手形
手形是指人手的几何形状特征即手的轮廓形状，手指各个位置的宽度、长度等，手形不会因为环境因素如湿润或者干燥，皮肤因素等而有影响，但是手形的唯一性并不理想，尤其是手形信息在孩子的成长过程中不断得变化，这也是手形识别的主要弊端之一。
根据上面部分的阐述和介绍，可以了解到不论是何种生物识别技术都有它特定的适用范围，并且任何一种单模态生物识别技术其本身都有局限性[3]。从这点而言，单一生物识别技术并不是完美无缺的，并且不论在何种环境下优于其他生物识别技术的。近年来，多模态生物识别技术受到人们的广泛关注。
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1.2.2 多模态生物特征识别
根据上述的简要介绍可知，基于单一模态下的身份特征识别与身份验证技术都只能满足部分要求，在另一方面则会有一定的缺陷，而在实际应用中单一模态都会显示出各自的局限性，多模态生物识别技术已成为热点问题进行研究。
多模态生物识别（Multimodal Biometrics）技术通常是指通过几种行为特征或生理特征的相互结合来进行身份识别和身份验证的技术。此技术的关键点就在于信息融合是对所提取的多种生物特征进行的，充分利用各种生物所提供的特征信息进一步提高系统识别性能。且扩大或提高系统的覆盖范围与安全系数，使其适用面积更广。
近年来，国际上著名杂志如 IEEE 的 Pattern Analysis and Machine Intelligence，和 ICCV、FG等都发表有关多模态生物识别技术的相关论文，美国设计了一种基于指纹、人脸和虹膜三种生物特征相融合的识别系统—HIIDE，并应用在伊拉克战争中。近年来，该系统以逐步应用于军事方面。此外，北科慧识科技有限公司开发了基于掌脉与掌纹生物特征相融合的识别系统，它的主要优点是通过一次采集过程可以得到不同光学通道下的图像，再对获得的手掌掌纹和皮下静脉图像进行二次识别。这种系统用户更加容易接受。且仅需一次动作就完成了整个识别过程，识别精度较高[4]。
图1-2 北科慧识科技非接触式生物识别系统
Pig.1-2 Non-contact mode biological recognition system
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